Почему голубика синяя?

Ответ на вопрос в заголовке кажется очевидным — в кожице ягоды много антоцианов, они и придают такой цвет. Однако этот ответ неверен: пигмент в ягодах красный, это видно по цвету сока. А синими они становятся благодаря наноструктурам в воске, покрывающем ягоды. Такая структурная окраска делает синими многие плоды, от слив до ягод можжевельника. Устройство соответствующих наноструктур изучили британские ученые из Бристольского университета во главе с Роксом Мидлтоном (Rox Middleton).

Обычно структурную окраску придают регулярно расположенные наночастицы одинакового размера, то есть фотонный кристалл. Классическим примером служит опал. А на кожице синих ягод оказалось фотонное стекло — неупорядоченно и довольно рыхло расположенные наночастицы воска одинакового размера. Форма этих частиц — цилиндры, кубы, балки, причем для каждого вида растения своя морфология.

Суть же в том, что на такой структуре лучше всего рассеивается свет, длина волны которого близка к размерам этих наночастиц. Такое явление называют рассеянием Рэлея, и именно оно отвечает за голубой цвет неба: синие лучи рассеиваются на мелких флуктуациях плотности атмосферы, а их, этих мелких, гораздо больше, чем крупных. Размеры частиц воска близки к длинам волн синего и ультрафиолетового света, такой свет и создает окраску ягод.

Впрочем, и пигмент кожицы вносит свой вклад — он должен быть темным, поглощать те части спектра, что не рассеялись на воске. Поэтому незрелые ягоды зеленого цвета — зеленая кожица отражает в этом диапазоне, а у зрелой под воском черная поверхность, она поглощает весь свет и остается только рассеянный сине-ультрафиолетовый.

Эволюция все это придумала не случайно. Птицы хорошо видят синий и ультрафиолетовый свет. А растению надо их привлечь: склевав ягоду, птица улетит и при опорожнении желудка посеет содержащиеся в ягоде семена в другом месте. Однако синий пигмент-антоциан обходится растению очень дорого — для своей работы он требует больших затрат энергии. Поэтому истинно синих ягод очень мало. А с помощью структурированного воска удается решить задачу синевы гораздо дешевле.

Отсюда, кстати, идет подсказка для селекционеров: если убрать с ягод воск, то рассеяние исчезнет и зрелые ягоды станут черными, для птиц — неинтересными. Или, сместив пик рассеяния в красную область, получить красные ягоды и опять обмануть пернатых расхитителей урожая. Кстати, красная голубика имеется.

Как формируется восковое фотонное стекло? Оказывается, самосборкой. Исследователи смыли восковой слой с ягод магонии и нанесли полученный воск на предметное стекло. После высыхания растворителя оно стало таким же синим, как и ягоды. Электронная микроскопия подтвердила идентичность структур.

Работа породила больше вопросов, чем дала ответов, но ее результаты обязательно пригодятся в фотонике и при разработке светозащитных покрытий. Особенно привлекает способность восковой пленки самособираться и формировать цвет без вмешательства человека (Science Advances).

Журнал Американского химического общества Chemical & Engineering News, C&EN, подвел итоги 2024 года в области химии и составил список наиболее интересных работ, которые были опубликованы в научных журналах за 2024 год. Выше была описана одна из этих работ.

См. также:
Электрическое притяжение
Музыка белка
Секретик в коробочке
Лазерный водород
Электрический самородок
Окаменевшие мозги
Телобатарейка